WO2002103368A1 - Silicon device - Google Patents

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WO2002103368A1
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silicon device
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Yukihisa Yoshida
Munehito Kumagai
Kazuhiko Tsutsumi
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Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
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    • G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
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Definitions

  • the present invention relates to a silicon device used for an inertial force sensor or the like, which relates to a silicon device including an insulating substrate and a silicon beam-shaped structure formed on the insulating substrate.
  • ICP-RIE method reactive ion etching technology
  • ICP inductively coupled plasma
  • the ICP-RIE method is a dry etching method, there is no etching anisotropy. For this reason, the ICP-RIE method has an advantage over the wet etching method in that the degree of freedom in design of the structure is significantly increased.
  • Silicon cantilever ⁇ Inertial forces such as acceleration sensors ⁇ angular velocity sensors etc., which have a structure in which a silicon beam-like structure such as a doubly supported beam is supported on an insulating substrate such as glass
  • ICP-RIE method there are the following problems.
  • Fig. 12 shows the structure of the inertial force sensor 100 as an example of the basic structure of a conventional silicon device
  • Figs. 13A to 13 show the conventional manufacturing process of the inertial force sensor 100. Shown in F.
  • a similar production method is described in, for example, the following literature. Z. Xiao et al., Proc. Of Transducers 99, pp. 1518-1521, S. Kobayashi et. al., Pro of Transducers' 99, pp. 910-913.
  • FIG. 12 is a schematic plan view
  • FIG. 13F is a cross-sectional view taken along line ⁇ — ⁇ ′ of FIG.
  • the inertial force sensor 100 is composed of an insulator substrate 101 having a concave portion 102 on its surface, and a silicon beam-shaped structure 100 bonded to the surface of the insulating substrate 101 so as to sandwich the concave portion. And a frame body 108 which surrounds the silicon beam-shaped structure 104 at a distance and is joined to the insulating substrate 101. Further, the beam-like structure 104 includes two electrode portions 105 and 105 '.
  • the electrode portions 105 and 105 ' are respectively composed of a support portion 106 and a plurality of cantilever beams 107, and a support portion 106' and a plurality of cantilever beams 107, respectively.
  • the cantilevers 107 and 107 are arranged so as to face each other with a small gap therebetween.
  • FIG. 13D shows a step of preparing a silicon substrate 103
  • FIG. 13B shows a step of preparing a glass substrate 101
  • Fig. 13C shows that a mask layer is formed on the surface of the glass substrate 101 by photolithography, and then the surface of the glass substrate 101 is exposed to a few tens of m / s to several tens / This shows a step of forming a concave portion 102 by etching about m.
  • FIG. 13D shows a step of bonding the silicon substrate 103 to the surface of the glass substrate 101 by the anodic bonding method.
  • FIG. 13E shows a step of forming a mask layer 109 corresponding to the shape of the plan view of the beam-shaped structure 104 of FIG.
  • FIG. 13F shows a step of etching the silicon substrate 103 by ICP-RIE until the silicon substrate 103 is penetrated to form a beam-shaped structure 104 and a frame 108 having a silicon structure. After that, the resist remaining on the surface of the silicon substrate is removed.
  • the mask layer 109 shown in FIG. 13E generally has a wide opening and a narrow opening. Therefore, when the silicon substrate 103 having the mask layer 109 is etched by dry etching such as the ICP-RIE method, the silicon substrate having the wide opening is narrow due to the microloading effect. Etching is faster than the silicon substrate in the opening. Therefore, in the silicon substrate 103, an opening having a large opening width penetrates faster than an opening having a narrow opening width. At this time, the recessed part 102 of the glass substrate 101 and the part An etching gas intrudes into the space between the back surface and the back surface.
  • This penetrated etching gas erodes the back surface of the silicon substrate 103 until the opening having the narrowest opening width is completely penetrated, and as a result, the side wall and the cantilever 10 of the support 106 are formed. The bottom and side walls of 7 are eroded. As a result, a large deviation from the design value occurs in the dimensions of the beam-shaped structure 104, and the desired characteristics cannot be obtained as a device, and if the reliability is reduced, there has been a problem of radiation.
  • the cause of the problem is that the concave portion of the insulating substrate is charged to a positive charge by the etching gas having a positive charge, and the conductive film electrically connected to the support portion.
  • a method for suppressing the erosion of the silicon beam-like structure by providing a hole in the recess (M. Chabloz, J. Jiao, Y. Yoshida, ⁇ . Matsuura, ⁇ . Tsutsmi, A Method to Evade Microloading) Effect in Deep Reactive Ion Etching for Anodically Bonded Glass-Silicon Structures, Proc. MEMS2000, pp.283-287, yazaki, Japan, 2000). In order to improve reliability and reliability, further erosion of silicon beam structures is needed.
  • the aperture width is set to be the same to prevent the cycloloading effect, there is a problem that the degree of freedom in designing the device structure is remarkably reduced.
  • the force of the cantilever of the movable electrode and the force of the cantilever of the fixed electrode are opposed to each other via a small gap, and the small gap alternately becomes wider and narrower. It is formed to repeat.
  • the sensitivity of the sensor improves as the ratio of the gap distance in the wide area to the gap distance in the narrow area increases.
  • the microloading effect causes the in-plane distribution of the etching rate to be more non-uniform, and the etching rate in the narrow gap region decreases. For this reason, over-etching is required in the narrow gap region, and the back surface of the silicon substrate is greatly damaged during the etching.
  • an object of the present invention is to suppress the erosion of a silicon beam-like structure due to the microloading effect, thereby achieving higher reliability and improving the device structure.
  • An object of the present invention is to provide a silicon device having design freedom. Disclosure of the invention
  • the silicon device comprises: an insulating substrate; a silicon beam-shaped structure joined by providing a gap between the insulating substrate; A silicon frame joined to the substrate, wherein the beam-shaped structure comprises: a supporting portion joined to the insulating substrate; and at least one piece formed integrally with the supporting portion and projecting into the gap.
  • the mechanism of dry etching of a silicon substrate is that activated ions having a positive charge are accelerated by a negative bias formed immediately above the silicon substrate, and collide with the silicon substrate with sufficient energy.
  • the activated etching gas is usually sulfur fluoride ion (SFx + ). This reacts with silicon to form silicon fluoride (SiFx), which is released to the outside.
  • the negative bias directly above the silicon substrate is formed by applying a high frequency to a substrate holder also serving as a cathode on which the silicon substrate is installed.
  • the cause of the erosion of the back surface of the silicon substrate is that SFx + penetrating into the gap between the back surface of the silicon substrate and the concave portion of the insulating substrate is recoiled on the insulating substrate surface and collides with the back surface of the silicon substrate.
  • the recoil of SFx + generated on the insulating substrate surface may be due to electrical repulsion besides kinetic scattering.
  • FIGS. 9A and 9B are schematic cross-sectional views showing a silicon substrate 53 joined to the surface of an insulating substrate 51 having a concave portion so as to sandwich the concave portion 52.
  • the silicon substrate 53 is dry-etched. It shows the state that is being done.
  • a mask layer 59 for forming a functional portion is formed on the surface of the silicon substrate 53.
  • the silicon substrate 53 is dry-etched into a silicon beam-shaped structure 56 and a frame 58, and the silicon beam-shaped structure 56 is further provided with a movable electrode portion 57 and a fixed electrode portion 5. 7 '.
  • the movable electrode section 57 is composed of cantilevers 57 2, 57 2 and a supporting section 57 1 supporting the cantilever, and the fixed electrode section 5 T is a cantilever. 5 7 2 ', 5 7 2' and its pieces The supporting part 5 7 1 supports the beam.
  • the surface of the concave portion 52 of the insulating substrate 51 is charged to a positive charge 62 by an etching gas, for example, SFx + 61, which repeatedly strikes.
  • the surface of the positively charged concave portion 52 rejects the next coming SFx + 61.
  • the SFx + 61 subjected to the repulsive force changes its movement direction before reaching the concave portion 52, and strikes the back surface of the silicon substrate 53 to erode the cantilever beams 572, 572 '.
  • the SFx + 61 force which should normally be incident perpendicular to the insulating substrate 51, has its surface bent by the positively charged concave portion 52, and the side walls of the supporting portions 571, 571 ' It is also conceivable that erosion may occur due to collisions with the sea. Therefore, in order to suppress erosion of the back surface of the silicon substrate 53 or the support portions 571 and 571 ′, it is effective to prevent the surface of the concave portion 52 of the insulating substrate 51 from being positively charged. Means.
  • FIGS. 10A and 10B are schematic cross-sectional views showing the structure of the silicon device according to the proposal of M. Chabloz et al., Which is electrically connected to the supporting portion 571 through the conducting portion 55a. It has the same structure as that of FIG. 9A except that a conductive film 54 to be conducted is provided on the surface of the concave portion. When the etching gas 61 collides with the conductive film 54, the charge leaks through the supporting portion 571, and is inactivated. At the time of dry etching, the silicon substrate 51 has the same potential as a substrate holder (not shown) and is kept at a negative potential.
  • the cantilever 572 ′ was smaller than the cantilever 572. This is because the positive charge 62 that has moved from the conductive film 54 through the support part 571 charges the cantilever 572 positively, so that etching that passes near the cantilever 572 is performed. It is considered that the gas receives the repulsion and collides with the cantilever beam 5 7 2 ′ to erode.
  • the damage caused by the charge of the silicon cantilever is smaller than the damage caused by the charge of the insulating substrate.However, depending on the mask pattern, the root of the cantilever may be damaged, resulting in lower reliability. May bring.
  • a conductive film 54 electrically connected to the frame 58 through the conductive portion 55 b is provided on the surface of the concave portion. ing. Since the frame 58 is bonded to the insulating substrate 51 at a distance from the silicon beam-shaped structure 54, the positive charges from the conductive film 54 do not move to the cantilever. In addition, there is no microstructure such as a cantilever that requires processing accuracy near the frame 58. Therefore, even if the frame 58 is charged, these microstructures are not damaged.
  • the frame 58 is connected to the frame of the adjacent device until the wafer process is completed and the device is divided into individual devices by dicing, and the frame 58 has the largest volume as an independent silicon structure in the wafer. Have. Therefore, the charge per volume (volume charge density) can be minimized as compared with the case where the silicon structure is connected to another silicon structure in the wafer. As a result, it is possible to minimize the generation of repulsive force with respect to the etching gas passing through the vicinity, and it is possible to further suppress the erosion of silicon by the etching gas on the beam-shaped structure.
  • a silicon device as the beam-like structure, a device composed of two or more functional units which are electrically separated and have substantially the same volume can be used.
  • a silicon device includes: an insulating substrate; a silicon beam-shaped structure joined by providing a gap between the insulating substrate; A silicon frame joined to the insulating substrate; and the beam-like structure comprises a movable electrode portion and a fixed electrode portion, and the movable electrode portion and the fixed electrode portion are each formed of an insulating substrate. And a comb-shaped electrode portion formed of a plurality of cantilevered electrodes integrally formed with the support portion and projecting into the gap, and the movable electrode portion and the fixed electrode portion are cantilevered.
  • an electrically conductive film is formed on at least the surface of an insulating substrate directly under a cantilever, electrically conducting with a frame.
  • a movable electrode portion and a fixed electrode portion having substantially the same volume can be used.
  • a silicon device includes: an insulating substrate; a silicon beam-shaped structure joined by providing a gap between the insulating substrate; And a silicon frame joined to the insulating substrate, wherein each of the beam-shaped structures has a comb-shaped electrode portion composed of a plurality of cantilevered electrodes protruding into the void portion.
  • Angular velocity sensor in which the cantilever of the electrode portion and the fixed electrode portion are disposed so as to face each other with a small gap therebetween, and is electrically connected to the frame, and at least the insulating substrate immediately below the cantilever Is an angular velocity sensor having a conductive film formed on the surface of the sensor.
  • a silicon device includes: an insulating substrate; a silicon beam-shaped structure joined by providing a gap between the insulating substrate; A silicon frame joined to the insulating substrate; and a beam-shaped structure, a support portion joined to the insulating substrate, and at least one cantilever formed integrally with the support portion and projecting into the gap.
  • a silicon device having at least one functional part consisting of a beam a silicon beam-like structure is composed of two or more functional parts which are electrically separated and have different volumes, and a support part of a functional part having the largest volume.
  • a conductive film formed at least on the surface of the insulating substrate immediately below the cantilever.
  • the volume charge density can be minimized among the functional units. As a result, it is possible to minimize the generation of repulsive force with respect to the etching gas passing through the vicinity, and it is possible to further suppress the erosion of silicon by the etching gas on the beam-shaped structure.
  • the silicon device includes: an insulating substrate; a silicon beam-shaped structure joined by providing a gap between the insulating substrate; And a silicon frame joined to the insulating substrate, and the beam-like structure comprises a movable electrode portion and a fixed electrode portion, and the movable electrode portion and the fixed electrode portion are respectively made of insulating material.
  • a movable electrode part and a fixed electrode part each having a support part joined to the substrate and a comb-shaped electrode part formed of a plurality of cantilever electrodes integrally formed with the support part and protruding into a gap part;
  • the movable electrode portion and the fixed electrode portion are formed so as to have different volumes.
  • the larger support At least an acceleration sensor having a conductive film formed on the surface of an insulating substrate directly under the cantilever.
  • the silicon device of the present invention uses a silicon wafer as a silicon substrate.
  • it can be manufactured by separating a large number of formed silicon devices into individual silicon devices by dicing.
  • a silicon beam-shaped structure joined by providing a gap between an insulating substrate and the insulating substrate, and the beam-shaped structure separated and surrounded and joined to the insulating substrate
  • a beam-shaped structure comprising: a supporting portion joined to the insulating substrate; and at least one cantilever beam integrally formed with the supporting portion and projecting into the gap.
  • a conductive film is formed on at least a surface of a void located immediately below a cantilever, and the conductive film is formed on a surface around the void.
  • Etching the surface of the support Forming a silicon substrate having a supporting portion and an insulating substrate having a conductive film so that the front surfaces face each other; and forming a cantilever beam on the back surface of the bonded silicon substrate.
  • FIG. 1 is a schematic exploded perspective view showing the entire structure of the acceleration sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a structure of the acceleration sensor according to Embodiment 1 of the present invention, and is a plan view in which a beam-like structure is extracted.
  • FIG. 3A to 3K are schematic cross-sectional views showing manufacturing steps of the acceleration sensor according to Embodiment 1, and FIG. 3K is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic exploded perspective view showing the structure of the acceleration sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic exploded perspective view showing the structure of the acceleration sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • 6A to 6I are schematic cross-sectional views showing manufacturing steps of the acceleration sensor according to Embodiment 3, and FIG. 6I is a cross-sectional view taken along the line VI-VI 'of FIG.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view showing the structure of the angular velocity sensor according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing the structure of the angular velocity sensor according to the fourth embodiment.
  • 9A and 9B are diagrams (part 1) illustrating the operation principle of the present invention.
  • FIG. 10A and FIG. 10B are diagrams (part 2) illustrating the operation principle of the present invention.
  • FIG. 11A and FIG. 11B are diagrams (part 3) illustrating the operation principle of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing a structure of a conventional silicon device, and is a plan view in which a beam-like structure having a basic structure is extracted.
  • FIG. 13F to 13F are schematic cross-sectional views showing the manufacturing process of the silicon device in FIG. 12, and FIG. 13F is a cross-sectional view along the line ⁇ - ⁇ ′ in FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the acceleration sensor 1 has a silicon beam-shaped structure 21a, a lower glass substrate 2 having a concave portion 3 forming a void portion on the surface, and a concave portion 7 on the surface. It consists of an upper glass substrate 6.
  • the acceleration sensor 1 has a structure in which the beam-like structure 21a is joined to the lower glass substrate 2 and the upper glass substrate 6 so that the concave portion 3 and the concave portion 7 face each other.
  • Sensor 1 is hermetically sealed.
  • the electrode extraction portion 9 for external circuit connection on the glass substrate 6 through the substrate, 1 a 0, the electrode extraction portion 9, 1 0 beam-like structure 2 1 a of the metal electrode 1 3 , And 14 are in electrical contact with each other.
  • the beam-shaped structure 21a is composed of two functional parts, a movable electrode part 22a and fixed electrode parts 23a and 23a.
  • the conductive film 4 is formed on the entire surface of the concave portion 3 of the lower glass substrate 2, and a part thereof extends to a surface around the concave portion 3, and a conductive portion 5 a for ensuring conduction with the frame 24 a. Is composed.
  • the conductive part 5a is a frame It is joined to the lower glass substrate 2 so as to be directly below 24 a.
  • the movable electrode portions 22 a are arranged at equal intervals on both sides in the longitudinal direction of the base portion 27 a, and a plurality of cantilever beams 2 projecting from the base portion 27 a onto the recess 3.
  • One 28a, 28a, and the stoppers 28a, 28a for impact resistance are connected to the comb-shaped electrode part 25a and the stoppers 28a, 28a for impact resistance.
  • the beam portions 29a and 29a of the book, and the support portions 30a and 30a that support the beam portions 29a and 29a and are joined to the lower glass substrate 2, Are integrally formed.
  • the impact-resistant stopper 28a also has an effect of preventing the beams 29a and 29a and the comb-shaped electrode portions 25a and 25a from being damaged by a strong impact.
  • the fixed electrode portions 2 3 8 and 2 3 a ′ extend over the concave portion 3 so as to face the plurality of cantilever beams 26 a of the comb-shaped electrode portion 25 a via a minute gap. It has a comb-shaped electrode portion 31 composed of a plurality of cantilever beams 31a arranged. Further, the fixed electrode part 23 a is joined to the lower glass substrate 2 via a support part 32 a supporting the comb-shaped electrode part 31 and also serving as a base, and the fixed electrode part 23 a ′ is The lower electrode substrate 31 is joined to the lower glass substrate 2 via a supporting portion 34a which supports and also serves as a base.
  • a metal film 8 is formed in the concave portion 7 of the upper glass substrate 6.
  • the metal film 8 adheres (sticking) to the movable electrode 22 already formed (sticking).
  • the direction of the acceleration detected by the present sensor is the direction of arrow A in the plane of the silicon substrate.
  • the comb-shaped electrode portions 25a, 25a and the comb-shaped electrode portions 31, 31, which are composed of a plurality of cantilever beams, are provided within a limited sensor area and have an electrode proportional to the capacitance change. This contributes to increasing the facing area as much as possible.
  • the base 27 a of the movable electrode 22 a is displaced in the direction of the arrow A (the main axis direction), and the cantilever 26 a of the comb electrode 25 a and the comb electrode 3 1
  • the spacing of the cantilever 3 1 a changes. This change in spacing results in a change in capacitance.
  • This change in capacitance is output as a voltage proportional to the acceleration via a C-V converter outside the sensor.
  • the comb-shaped electrode Since the differential system detection is performed by using two combinations of the units, that is, two pairs of 25a and 31, it is possible to enhance the output linearity ⁇ t.
  • FIGS. 3A to 13K an example of a method of manufacturing the acceleration sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3A to 13K.
  • the surface of the silicon substrate is added to form a support for the beam-shaped structure, and in the steps shown in FIGS. 3E to 3H, the lower glass substrate is electrically conductive. A film is formed.
  • the silicon substrate and the lower glass substrate are joined in the steps shown in FIGS. 3I to 3K, and the silicon substrate is further processed to form a comb-shaped electrode portion of the beam-shaped structure.
  • the processed upper glass substrate is bonded onto the beam-shaped structure, an electrode extraction portion is formed on the upper glass substrate, and then separated into individual acceleration sensors by dicing, corresponding to FIG.
  • an acceleration sensor having the structure described above is manufactured.
  • the surface of the silicon substrate refers to the surface on the side to be bonded to the lower glass substrate.
  • a silicon substrate 20 (thickness: 400 m), which is a silicon wafer having a l / m thermal oxide film 33 on its surface, is prepared.
  • the thermal oxide film 33 on one surface of the silicon substrate 20 is removed with buffered hydrofluoric acid.
  • a first mask layer 35 made of a resist according to the shape of the supporting portion is formed by photolithography.
  • the silicon substrate 20 having the first mask layer 35 is etched to a depth of 250 ⁇ by dry etching by the ICP-RIE method. After that, the resist remaining on the surface is removed to form a frame 24a, a support 32a, and a shock-resistant stopper 28a.
  • a lower glass substrate 2 (thickness: 400 // m) is prepared.
  • the surface of the lower glass substrate 2 is photoengraved to form a mask layer 12 made of a resist for forming concave portions.
  • hydrofluoric acid 1 hydrofluoric acid 1
  • the surface of the lower glass substrate 2 is etched by 20 ⁇ with the 0% aqueous solution to form the concave portion 3.
  • the recess 3 forms a void when the silicon substrate 20 and the lower glass substrate 2 are joined.
  • a Cr film is formed by photolithography in the step shown in FIG. 3 ⁇ , and the conductive film made of Cr extends over the entire surface of the concave portion 3 and a part of the peripheral surface of the concave portion 3.
  • the conductive film 4 is formed.
  • the conductive film 4 extending to a part of the periphery of the concave portion 3 forms a conductive portion 5a that is electrically connected to the silicon substrate 20.
  • the surface of the lower glass substrate 2 and the surface of the silicon substrate 20 are joined using an anodic bonding method.
  • the portion of the support portion 34a located directly above the conductive portion 5a has been etched and removed in advance in the step shown in FIG. 3D, and the conductive portion 5a has contact with the support portion 34a. It is joined to the frame 24a without performing.
  • the back surface of the silicon substrate 20 is photoengraved to form a second mask layer 35 made of a resist.
  • a thermal oxide film mask 33 ' is formed by an electron cyclotron resonance reactive ion etching method (hereinafter abbreviated as ECR-RIE method).
  • the back surface of the silicon substrate 20 is at least 150 / in by ICP-RIE. Etch to a depth of.
  • the silicon substrate 20 is penetrated to form the movable electrode part 22 a, the fixed electrode part 23 a, and the frame 24 a.
  • the cantilever 26 a of the movable electrode part 2 2 a and the cantilever 31 a of the fixed electrode part 23 a are opposed to each other with a small gap therebetween, and the small gaps alternate. It is formed to repeat wide and narrow.
  • the thermal oxide film 33 remaining on the back surface of the silicon substrate 20 is removed by ECR-RIE. Note that the etching depth of 150 ⁇ m can be obtained by subtracting the etching depth of 250 ⁇ in the step shown in FIG. 3D from the thickness of the silicon substrate 20 of 400 ⁇ .
  • a concave portion 7 having a depth of 20 / im is formed by the same method as shown in FIGS.
  • a Cr film is formed on the surface of the concave portion 7 by photolithography to form a staking prevention film 8 made of Cr.
  • an electrode lead portion 10 composed of a through hole is provided by sandblasting.
  • the back surface of the silicon substrate 20 and the surface of the upper glass substrate 6 are joined by anodic bonding, and an electrode film made of Pt is formed in the electrode lead portion 10.
  • the acceleration sensor 1 is separated by dicing the wafer.
  • the conductive film 4 electrically connected to the frame body 24a has a concave portion when the movable electrode portion 22a, the fixed electrode portion 23a and the like are formed by using the ICP-RIE method. Acts as an antistatic film that prevents the surface of 3 from being positively charged. That is, it has a positive charge
  • the etching gas that collides with the conductive film 4 during dry etching. At that time, the positive charge of the etching gas leaks through the conductive film 4 and the frame 24a, and the charge is neutralized by the negative potential of the frame 24a.
  • the etching gas having a positive charge does not receive the electric repulsive force of the concave portion 3 and hit the surface of the silicon substrate, the comb-shaped electrode portions 25 a, 31 ⁇ ⁇ impact stoppers 28 a, 2 8a and the side walls of the support portions 32a and 34a are not eroded.
  • the support portions 32a and 3 are provided between the frame body 24a and the microstructures requiring high precision, such as the comb-shaped electrode portions 25a and 31 and the beam portions 29a.
  • the support portions 32a and 3 are provided between the frame body 24a and the microstructures requiring high precision, such as the comb-shaped electrode portions 25a and 31 and the beam portions 29a. 4a is located. Therefore, even if the frame body 24a is positively charged, the microstructure is damaged only by damage to the support parts 32a and 34a, which are not required to be very accurate. There is nothing.
  • the frames of the adjacent sensors are continuous. Therefore, it has the largest volume among silicon structures including a beam-like structure and a frame inside a wafer. Therefore, even if the frame is positively charged, the volume charge density is minimized in the wafer. This makes it possible to minimize the generation of repulsion even if the etching gas passes near the frame.
  • the gap between the plurality of cantilever beams of the comb-shaped electrode portion is formed with high accuracy, and the weight of the movable electrode portion and the fixed electrode portion can be controlled to a desired value. Therefore, there is a feature that the sensitivity of the sensor is reduced and the variation in the characteristics of each sensor is small.
  • Examples of a conductive material that can be used for the conductive film used in the acceleration sensor according to the present embodiment include vaporizable metals such as chromium, aluminum, nickel, tantalum, platinum, nickel, and gold. Chromium, which has excellent adhesion to the substrate, is preferred. Also, if transparency is required for visible light inside the sensor, conductive and transparent indium tin oxide (ITO) is also applicable.
  • the thickness of the conductive film is 10 ⁇ ⁇ ! 11 ⁇ m, preferably 200 nm to 500 nm. If the thickness is less than 10 nm, the durability during the reactive etching is not sufficient, and if it exceeds ⁇ , it takes a long time to form a film.
  • the insulating substrate any insulator can be used as long as it can be processed into a desired shape, but a glass substrate is preferable.
  • a concave portion is provided in the lower glass substrate and the concave portion serves as a gap between the lower glass substrate and the silicon substrate.
  • the silicon device according to the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the volumes of the movable electrode portion and the fixed electrode portion constituting the silicon beam-shaped structure are substantially the same.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view showing the structure of the acceleration sensor according to the present embodiment.
  • the size and shape of each support part of the movable electrode part 22 c and the fixed electrode part 23 c are changed. . This is because changing the size and shape of the support does not affect the characteristics of the sensor.
  • the volume charge density of the electrode portion having a small volume increases, and the etching gas passing near the electrode portion having the small volume becomes large. Will give a great repulsion.
  • the volume charge density of the electrode portion can be reduced, so that the electrode passes through the vicinity of the electrode portion. It is possible to further reduce the repulsive force applied to the etching gas.
  • the silicon device according to the present embodiment is manufactured without performing the etching step (corresponding to the step shown in FIG. 3D) on the back surface of the silicon substrate, and is thinner than the first embodiment, for example, 150
  • the configuration is the same as that of the first embodiment except that a silicon substrate of ⁇ is used, and a conductive film is conducted not to the frame but to the supporting portion.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view showing the structure of the acceleration sensor according to the present embodiment.
  • the thickness of the silicon beam-shaped structure 21b and the frame 24b is made thinner than in the first embodiment, and the volume of the support of the movable electrode 22b is fixed to the fixed electrode 23b.
  • the structure is larger than the volume.
  • FIGS. 6A to 6I show a manufacturing process of the acceleration sensor of FIG.
  • a silicon substrate 2 ⁇ thinness: 150 ⁇
  • the thermal oxide film 33 on one surface of the silicon substrate 20 is removed with buffered hydrofluoric acid. Since the surface of the silicon substrate 20 from which the thermal oxide film has been removed is not etched, the steps shown in FIGS. 3C and 3D in the first embodiment are unnecessary.
  • a lower glass substrate 2 (thickness: 400 ⁇ m) is prepared.
  • the surface of the lower glass substrate 2 is photoengraved to form a mask layer 12 made of a resist for forming concave portions.
  • hydrofluoric acid 1 hydrofluoric acid 1
  • the surface of the lower glass substrate 2 is etched by 20 / m with a 0% aqueous solution to form the recess 3.
  • the recess 3 forms a void when the silicon substrate 20 and the lower glass substrate 2 are joined.
  • a Cr film is formed by photolithography, and a conductive film 4 made of Cr is formed on the entire surface of the concave portion 3 and on a part of the surface around the concave portion 3. Form.
  • the conductive film 4 extending to a part of the periphery of the concave portion 3 forms a conductive portion 5b that is electrically connected to the silicon substrate 20.
  • the surface of the lower glass substrate 2 and the surface of the silicon substrate 20 are joined using an anodic bonding method.
  • the back surface of the silicon substrate 20 is photoengraved to form a second mask layer 35 made of a resist.
  • a thermal oxide film mask 33 ' is formed by the ECR-RIE method.
  • the back surface of the silicon substrate 20 is etched by the ICP-RIE method using the second mask layer 35 and the thermal oxide film mask 33 'as a mask. Thereby, the silicon substrate 20 is penetrated to form the beam-like structure 21b and the frame 24b.
  • the cantilever 26 b of the movable electrode 2 2 b and the cantilever 31 b of the fixed electrode 31 are opposed to each other with a small gap therebetween, and the small gaps are alternately arranged. It is formed so that wide and narrow are repeated.
  • the conductive part 5b is directly joined to the support part 34b of the movable electrode part 22b. After that, the thermal oxide film 33 remaining on the back surface of the silicon substrate 20 is removed by ECR-RIE.
  • a concave portion is formed on the surface of the upper glass substrate 6 by the same method as that shown in FIGS. 3E to 3H of the first embodiment.
  • a Cr film is formed on the surface of the concave portion by photolithography to form a staking prevention film made of Cr.
  • an electrode lead portion formed of a through hole is provided on the upper glass substrate by sandblasting.
  • the back surface of the silicon substrate and the front surface of the upper glass substrate are bonded by anodic bonding, and an electrode film made of Pt is formed in the electrode lead portion. Then, the wafer is diced to separate the acceleration sensor.
  • the conductive film 4 is joined to the support portion 34b of the movable electrode portion 22b via the conductive portion 5b, and the volume of the movable electrode portion 22b is reduced. It has a structure larger than the volume of the fixed electrode part 23 b. Therefore, compared to the case where the conductive film 4 is bonded to the fixed electrode portion 23 b having a small volume, it is possible to reduce the volume charge density due to the charged positive charges. Further, since an etching step for the back surface of the silicon substrate is not required, it is possible to provide an acceleration sensor excellent in mass productivity.
  • the volume of the movable electrode is larger than the volume of the fixed electrode.
  • the present invention is not limited to this.
  • a conductive film may be bonded to the support portion of the fixed electrode portion by increasing the volume of the fixed electrode portion, or the function may be increased by increasing the volume of the functional portion other than the fixed electrode portion and the movable electrode portion.
  • a conductive film can be bonded to the supporting portion of the portion.
  • Embodiment 4 As an example of the silicon device according to the present invention, an application example to an angular velocity sensor will be described.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view showing the structure of the angular velocity sensor
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII ′ of FIG.
  • the angular velocity sensor 70 includes a silicon beam-shaped structure 71, a frame 74 surrounding the beam-shaped structure 71 with a space therebetween, a lower glass substrate 72 having a concave portion 73 on the surface, And an upper glass substrate (not shown) having a concave portion.
  • the beam-shaped structure 71 has two sets of measuring units 90 each including a fixed electrode unit 86 bonded to the lower glass substrate 72 and a movable electrode unit 85 arranged around the fixed electrode unit 86. .
  • the two sets of measuring sections 90 are connected to two movable electrode sections 85 by a first elastic connecting member 8.
  • the fixed electrode portion 86 forms a comb-like electrode portion of both combs including a base portion 87 and a plurality of cantilever beams 88 arranged at predetermined intervals on both side surfaces in the longitudinal direction of the base portion 87.
  • the movable electrode portion 85 is composed of a base portion 76 and a plurality of cantilever beams 77, and two sets of comb electrode portions 75 of a single comb and a beam portion of the two sets of comb electrode portions 75 are formed.
  • a vibrating frame 80 supported via 7 9, a first elastic connecting member 8 1 and a second elastic connecting member 7 8 for connecting the vibrating frame 80 to the frame 74 so as to be able to vibrate, These are all integrally formed.
  • the two sets of comb-shaped electrode portions 75 are arranged such that the respective cantilever beams 77 face the tips of the cantilever beams 77. Further, in each of the comb-shaped electrode portions 75, the cantilever 77 is arranged on one side in the longitudinal direction of the base portion 76 so that it can face the cantilever 88 of the fixed electrode portion 86 via a small gap. Are arranged at predetermined intervals. Further, a conductive film 84 is formed on the surface of the concave portion 73 of the lower glass substrate 72, and the conductive portion 65 extending around the concave portion 73 is joined to the frame 74.
  • the operation principle of the present angular velocity sensor will be described using the coordinate system shown in FIG.
  • a desired current is applied to the excitation metal wiring 66 formed on the surface of the first elastic connecting member 81.
  • Lorentz force is generated in the X-axis direction, and the movable electrode 85 vibrates in the X-axis direction.
  • Corioliska proportional to the magnitude of the angular velocity is generated in the Y axis direction.
  • the Coriolisa is used to measure the capacitance between the cantilever of the movable electrode part 85 and the fixed electrode part 86. Detect from change.
  • the metal wiring 67 formed on the surface of the second elastic connecting member 78 is for adjusting the current flowing through the metal wiring 66 while constantly monitoring the vibration state of the movable electrode part 85.
  • Two sets of movable electrode portions 85, 85 are arranged symmetrically with respect to the first elastic connection member 81, and these vibrate in opposite phases.
  • a method is used in which the change in the capacitance of the two movable electrode sections 85, 85 is detected in a differential manner to improve the linearity of the output.
  • the metal electrode 68 formed on the surface of the frame 74 is an electrode for grounding, and is for stabilizing the stray capacitance.
  • the angular velocity sensor according to the present embodiment has a conductive film that is electrically connected to the frame on the surface of the concave portion of the insulating substrate, and can prevent charging of the insulating substrate during dry etching. it can.
  • the comb-shaped electrode portion and the support portion are not eroded, so that a beam-shaped structure having a high shape and dimensional accuracy can be formed, and the reliability is reduced with reduced sensitivity and uneven characteristics of each sensor.
  • a high angular velocity sensor can be provided.
  • the silicon device of the present invention includes an insulating substrate, a silicon beam-like structure joined by providing a gap between the insulating substrate, and the beam-like structure.
  • a frame of silicon bonded to the insulating substrate and bonded to the insulating substrate, wherein the beam-shaped structure is formed integrally with the supporting portion and the supporting portion bonded to the insulating substrate.
  • the volumes of the respective functional parts constituting the silicon beam-shaped structure substantially the same, the volume charge density of the functional parts can be reduced even when the overetching time is long. Thus, damage to the beam-like structure during dry etching can be further suppressed.
  • the silicon device of the present invention includes a functional part constituting a silicon beam-shaped structure. Since the conductive film formed on the surface of the insulating substrate directly below the cantilever is joined to the support part of the largest volume of the functional part, even if the functional part is charged, Volume charge density due to positive charge can be reduced. As a result, it is possible to provide a silicon device having higher reliability and a degree of freedom in designing a device structure.

Description

明 細 書 シリコンデバイス 技術分野
本発明は、 慣性力センサ等に使用されるシリコンデバイスであって、 絶縁性基 板と、 その絶縁性基板上に形成されたシリコンの梁状構造体とから成るシリコン デバイスに関する。 背景技術
近年、 誘導結合型プラズマ （ICP) を活性源とする反応性イオンエッチング技 術 （以下、 ICP- RIE法という。 ） により、 シリコンを 1 0 0 // m以上深堀りする ことが可能となった。 本手法は、 マイクロマシーユングによるデバイス開発の分 野で、 高ァスぺク ト比のシリコンの構造体を+分速いエッチング速度で作製する 新しい手法として注目されている。 従来、 シリコン基板の深堀エッチングの方法 としては、 アルカリ溶液を用いたウエットエッチング法が主流であった。 しかし、 ゥエツトエッチング法においては、 エッチング方向がシリコンの結晶方位に依存 するので、 所望の構造体を作製するのは困難であった。 一方、 ICP-RIE法はドラ ィエッチング法であるので、 エッチング異方性がない。 そのため、 ICP- RIE法は、 ウエットエッチング法に比べ、 構造体形状の設計自由度を格段に増加させるとい う利点を有している。
し力 しな力 Sら、 シリコンの片持ち梁ゃ両持ち梁等のシリコンの梁状構造体がガ ラスなどの絶縁性基板に支持された構造を有する、 加速度センサゃ角速度センサ 等の慣性力センサを、 ICP-RIE法を用いて作製する場合、 以下のような問題があ つた。
従来のシリコンデバイスの基本的な構造の一例として慣性力センサ 1 0 0の構 造を図 1 2に、 そして、 その慣性力センサ 1 0 0の従来の製造工程を図 1 3 A〜 図 1 3 Fに示す。 同様な作製方法は、 例えば、 以下の文献に記載されている。 Z. Xiao et al. , Proc. of Transducers 99， pp. 1518-1521, S. Kobayashi et al. , Pro of Transducers ' 99, pp. 910-913.
ここで、 図 1 2は模式的な平面図であり、 図 1 3 Fは図 1 2の ΧΠΙ—ΧΙΠ' 線 における断面図である。 慣性力センサ 1 0 0は、 表面に凹部 1 0 2を有する絶縁 体基板 1 0 1と、 絶縁体基板 1 0 1の表面に凹部を挟むように接合されたシリコ ンの梁状構造体 1 0 4と、 シリコンの梁状構造体 1 0 4を離間して包囲し絶縁性 基板 1 0 1に接合された枠体 1 0 8と、 から成る。 さらに、 梁状構造体 1 0 4は、 2つの電極部 1 0 5 , 1 0 5 ' 力、らなる。 そして、 電極部 1 0 5 , 1 0 5 ' は、 そ れぞれ、 支持部 1 0 6及び複数の片持ち梁 1 0 7と、 支持部 1 0 6 ' 及び複数の 片持ち梁 1 0 7 ' からなる。 片持ち梁 1 0 7と 1 0 7 は、 互いに微小隙間を介 して対向するように配設されている。
図 1 3 Αはシリコン基板 1 0 3を用意する工程、 図 1 3 Bはガラス基板 1 0 1 を用意する工程を示している。 図 1 3 Cは、 写真製版によりマスク層をガラス基 板 1 0 1の表面に形成し、 続いて、 ガラス基板 1 0 1の表面をフッ酸の希釈液な どで数/ m〜数十/ m程度エッチングして凹部 1 0 2を形成する工程を示してい る。 図 1 3 Dは、 ガラス基板 1 0 1の表面にシリコン基板 1 0 3を陽極接合法に より接合する工程を示している。 図 1 3 Eは、 シリコン基板 1 0 3の表面に、 図 1 2の梁状構造体 1 0 4の平面図の形状に応じたマスク層 1 0 9を写真製版によ り形成する工程を示している。 図 1 3 Fは、 ICP- RIE法によりシリコン基板 1 0 3を貫通するまでエッチングし、 シリコン構造の梁状構造体 1 0 4と枠体 1 0 8 とを形成する工程を示している。 その後、 シリコン基板の表面に残るレジス トを 除去する。
ここで、 図 1 3 Fに示す工程には以下に説明する問題がある。 図 1 3 Eに示す マスク層 1 0 9は、 一般に開口幅の広い開口部と狭い開口部とを有している。 し たがって、 マスク層 1 0 9を有するシリコン基板 1 0 3を ICP- RIE法などのドラ ィエッチングによりエッチングする場合、 マイクロローデイング効果により開口 幅の広い開口部のシリコン基板が開口幅の狭い開口部のシリコン基板より速くェ ツチングされる。 よって、 シリコン基板 1 0 3の中で、 開口幅の広い開口部は、 開口幅の狭い開口部に比べて早く貫通される。 この時、 シリコン基板 1 0 3の早 く貫通された部分から、 ガラス基板 1 0 1の凹部 1 0 2とシリコン基板 1 0 3の 裏面との間にエッチングガスが侵入する。 この侵入したエッチングガスは、 最も 狭い開口幅の開口部が完全に貫通されるまでシリコン基板 1 0 3の裏面を浸食す るので、 結果として、 支持部 1 0 6の側壁や片持ち梁 1 0 7の底面や側壁が浸食 される。 そのため、 梁状構造体 1 0 4の寸法に設計値からの大きなズレが生じ、 デバイスとして目的とする特性が得られなくなり信頼性が低下するとレヽぅ問題が あった。
本出願人は、 その問題の原因が、 正電荷を有するエッチングガスにより絶縁性 基板の凹部が正電荷に帯電することによるものであることを見出し、 支持部と電 気的に導通する導電性膜を凹部に設けることにより、 シリコンの梁状構造体の浸 食を抑制する方法を提案した （M. Chabloz, J. Jiao, Y. Yoshida, Τ. Matsuura, Κ. Tsuts mi, A Method to Evade Microloading Effect in Deep Reactive Ion Etching for Anodically Bonded Glass-Silicon Structures, Proc. MEMS2000, pp.283-287, yazaki, Japan, 2000) 。 し力 し、 信頼性の向上のため、 シリコ ンの梁状構造体の浸食の一層の抑制が必要とされている。
また、 ャィクロローデイング効果を防止するために、 開口巾を同じにしょうと すると、 デバイス構造の設計自由度が著しく低下するという問題もあつた。 また、 設計において、 開口幅を同じにしても、 実際の加工では、 支持部ゃ片持 ち梁部の浸食を完全に抑制するのは困難であるという問題もあった。 なぜなら、 貫通を確実にするために若干オーバーェツチングするのが常套だからである。 例 えば、 加速度センサでは、 可動電極部の片持ち梁と、 固定電極部の片持ち梁と力 互いに微小隙間を介して対向するように、 かつ、 その微小隙間が交互に巾広と巾 狭を繰り返すように形成されている。 巾狭領域の隙間距離に対する巾広領域の隙 間距離の比が大きくなる程、 センサの感度は向上する。 しかし、 この比が大きく なると、 マイクロローデイング効果により、 エッチング速度の面内分布がより不 均一となり、 巾狭の隙間の領域のエッチング速度が低下する。 そのため、 巾狭の 隙間の領域にはオーバーエッチングが必要となり、 エッチング時のシリコン基板 の裏面の損傷が大きくなる。
そこで、 本発明の目的は、 マイクロローデイング効果に起因するシリコンの梁 状構造体の浸食を抑制して、 より高い信頼性を有するとともに、 デバイス構造の 設計自由度を有するシリコンデバイスを提供することである。 発明の開示
本発明のシリコンデバイスは、 絶縁性基板と、 該絶縁性基板との間に空隙部を 設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、 該梁状構造体を離間して包囲し前記 絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、 から成り、 前記梁状構造体が、 前記 絶縁性基板に接合された支持部と、 該支持部と一体形成され前記空隙部に張出し た少なくとも 1つの片持ち梁とから成る、 少なくとも 1つの機能部を有するシリ コンデバイスにおいて、 前記枠体と電気的に導通し、 少なくとも、 前記片持ち梁 の直下の前記絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有する。
ドライエッチングによるシリコン基板のエッチング機構は、 正電荷をもつ活性 化イオンがシリコン基板直上に形成された負バイアスで加速され、 十分なェネル ギーをもってシリコン基板に衝突することである。 ICP - RIE法の場合、 活性化さ れたエッチングガスは、 通常、 フッ化硫黄イオン （SFx+) である。 これはシリコ ンと反応することでフッ化シリコン （SiFx) となり、 外部に放出される。 またシ リコン基板直上の負バイアスは、 シリコン基板が設置される陰極を兼ねる基板ホ ルダ一に高周波を印加することで形成される。 したがって、 シリコン基板の裏面 が浸食される原因は、 シリコン基板の裏面と絶縁性基板の凹部との間隙に侵入し た SFx+が絶縁性基板面で反跳され、 シリコン基板の裏面に衝突するためと考えら れる。 ここで、 絶縁性基板面で生じる SFx+の反跳には、 運動論的な散乱以外に、 電気的斥力によるものが考えられる。
図 9 Aと図 9 Bは、 凹部を有する絶縁性基板 5 1の表面に、 凹部 5 2を挟むよ うに接合されたシリコン基板 5 3を示す模式断面図であり、 シリコン基板 5 3が ドライエッチングされている状態を示している。 シリコン基板 5 3の表面には機 能部形成用のマスク層 5 9が形成されている。 シリコン基板 5 3はドライエッチ ングされて、 シリコンの梁状構造体 5 6と枠体 5 8とになり、 さらに、 シリコン の梁状構造体 5 6は、 可動電極部 5 7と固定電極部 5 7 ' とになる。 ここで、 可 動電極部 5 7は、 片持ち梁 5 7 2 , 5 7 2と、 その片持ち梁を支持する支持部 5 7 1と力 らなり、 固定電極部 5 T は、 片持ち梁 5 7 2 ' ， 5 7 2 ' と、 その片 持ち梁を支持する支持部 5 7 1 とからなる。
ドライエッチング時には、 幾度となく衝突するエッチングガス、 例えば、 SFx+ 6 1により、 絶縁性基板 5 1の凹部 5 2の表面が正電荷 6 2に帯電する。 正に帯 電した凹部 5 2の表面は、 次に飛来してくる SFx+ 6 1を斥ける。 斥力を受けた SFx+ 6 1は、 凹部 5 2に到達する前にその運動方向を変えられシリコン基板 5 3 の裏面をたたいて片持ち梁 5 7 2 , 5 7 2 ' を浸食する。 また、 本来絶縁性基板 5 1に対し垂直に入射するはずの SFx+ 6 1力 表面が正に帯電した凹部 5 2によ りその軌道を曲げられ、 支持部 5 7 1 , 5 7 1 ' の側壁に衝突して浸食すること も考えられる。 したがって、 シリコン基板 5 3の裏面あるいは支持部 5 7 1 , 5 7 1 ' の浸食を抑制するには、 絶縁性基板 5 1の凹部 5 2の表面が正に帯電する ことを防止することが有効な手段である。
図 1 0 Aと図 1 0 Bは、 上記の M. Chablozらの提案に係るシリコンデバイスの 構造を示す模式断面図であり、 導通部 5 5 aを介して支持部 5 7 1と電気的に導 通する導電性膜 5 4を凹部の表面に設けた以外は、 図 9 Aと同様の構造を有して いる。 エッチングガス 6 1が導電性膜 5 4に衝突すると、 その電荷は支持部 5 7 1を通って漏洩し不活性化する。 また、 ドライエツチング時には、 シリコン基板 5 1は基板ホルダー （図示せず） と同電位であり、 負の電位に保持されている。 そのため、 エッチングガスが導電性膜 5 4に衝突すると、 その電荷が中和されェ ツチングガスの不活性化が促進される。 これにより、 シリコン基板 5 3の裏面の 浸食を大幅に抑制することができる。 しかし、 図 1 0 Bに示すように、 片持ち梁 5 7 2 ' は片持ち梁 5 7 2に比べ小さくなつていた。 これは、 導電性膜 5 4から 支持部 5 7 1を通って移動した正電荷 6 2が片持ち梁 5 7 2を正に帯電させるの で、 片持ち梁 5 7 2の近傍を通過するエッチングガスはその斥力を受けて片持ち 梁 5 7 2 ' に衝突し浸食するものと考えられる。 シリコンの片持ち梁の帯電が与 える損傷は、 絶縁性基板の帯電が与える損傷に比べ小さいものの、 マスクパター ンによっては、 片持ち梁の付け根部分に損傷を与える場合もあり、 信頼性に低下 をもたらす可能がある。
一方、 本発明においては、 図 1 1 Aと図 1 1 Bに示すように、 導通部 5 5 b を介して枠体 5 8と電気的に導通する導電性膜 5 4を凹部の表面に設けている。 枠体 5 8はシリコンの梁状構造体 5 4と離間して絶縁性基板 5 1に接合されてい るので、 導電性膜 5 4からの正電荷は片持ち梁に移動することがない。 また、 枠 体 5 8の近傍には加工精度が要求される片持ち梁等の微細構造物は存在しない。 よって、 枠体 5 8が帯電したとしても、 これらの微細構造物に損傷を与えること はない。
また、 枠体 5 8は、 ウェハ工程が完了しダイシングにより素子毎に分割されるま で、 隣接する素子の枠体と連結しており、 ウェハ内の独立したシリコンの構造体 として最も大きい体積を有している。 したがって、 ウェハ内の他のシリコンの構 造体に接続した場合に比べ、 体積当りの電荷 （体積電荷密度） を最も小さくする ことができる。 これにより、 近傍を通過するエッチングガスに対する斥力の発生 を最小限に抑制することが可能となり、 ェツチングガスによるシリコンの梁状構 造体への浸食を一層抑制することができる。
また、 本発明に係るシリコンデバイスは、 梁状構造体として、 電気的に分離さ れ概ね同一の体積を有する 2以上の機能部から成るものを用いることができる。 また、 本発明に係るシリコンデバイスは、 絶縁性基板と、 その絶縁性基板との 間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、 その梁状構造体を離間 して包囲し絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、 から成り、 梁状構造体が、 可動電極部と固定電極部とから成り、 その可動電極部及び固定電極部が、 それぞ れ、 絶縁性基板に接合された支持部と、 その支持部と一体形成され空隙部に張出 した複数の片持ち梁の電極から成る櫛状電極部とを有し、 可動電極部及び固定電 極部の片持ち梁が互いに微小隙間を介して対向するように配設されて成る加速度 センサにおいて、 枠体と電気的に導通し、 少なくとも、 片持ち梁の直下の絶縁性 基板の表面に形成された導電性膜を有する加速度センサである。
また、 上記の加速度センサにおいて、 可動電極部と固定電極部の体積が概ね同 一であるものを用いることができる。
また、 本発明に係るシリコンデバイスは、 絶縁性基板と、 その絶縁性基板との 間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、 その梁状構造体を離間 して包囲し絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、 から成り、 梁状構造体が、 それぞれ、 空隙部に張出した複数の片持ち梁の電極から成る櫛状電極部を有する 可動電極部と固定電極部とを有し、 可動電極部は絶縁性基板の表面の水平方向に 振動可能に枠体に支持される一方、 固定電極部は絶縁性基板に接合され、 可動電 極部及び固定電極部の片持ち梁が互いに微小隙間を介して対向するように配設さ れて成る角速度センサにおいて、 枠体と電気的に導通し、 少なくとも、 片持ち梁 の直下の絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有する角速度センサである。 また、 本発明に係るシリコンデバイスは、 絶縁性基板と、 その絶縁性基板との 間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、 その梁状構造体を離間 して包囲し絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、 から成り、 梁状構造体が、 絶縁性基板に接合された支持部と、 その支持部と一体形成され空隙部に張出した 少なくとも 1つの片持ち梁とから成る、 少なくとも - 1つの機能部を有するシリコ ンデバイスにおいて、 シリコンの梁状構造体が電気的に分離され体積の異なる 2 以上の機能部から成り、 最も体積の大きい機能部の支持部と電気的に導通し、 少 なくとも、 片持ち梁の直下の絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有する。 最も体積の大きい機能部が帯電したとしても、 体積電荷密度を機能部の中で最も 小さくすることができる。 これにより、 近傍を通過するエッチングガスに対する 斥力の発生を最小限に抑制することが可能となり、 ェツチングガスによるシリコ ンの梁状構造体への浸食を一層抑制することができる。
また、 本発明に係るシリコンデバイスは、 絶縁性基板と、 その絶縁性基板との 間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、 その梁状構造体を離問 して包囲し絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、 から成り、 梁状構造体が、 可動電極部と固定電極部とから成り、 その可動電極部及び固定電極部が、 それぞ れ、 絶縁性基板に接合された支持部と、 その支持部と一体形成され空隙部に張出 した複数の片持ち梁の電極から成る櫛状電極部とを有し、 可動電極部及び固定電 極部の片持ち梁が互いに微小隙間を介して対向するように配設されて成る加速度 センサにおいて、 可動電極部と固定電極部の体積が異なるように形成されており、 その可動電極部及び固定電極部のいずれか体積が大きい方の支持部と電気的に導 通し、 少なくとも、 片持ち梁の直下の絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を 有する加速度センサである。
また、 本発明のシリコンデバイスは、 シリコン基板としてシリコンウェハを用 い、 形成した多数のシリコンデバイスをダイシングにより個々のシリコンデバイ スに分離することにより作製することができる。 例えば、 絶縁性基板と、 その絶 縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、 その梁状 構造体を離間して包囲し絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、 から成り、 梁状構造体が、 絶縁性基板に接合された支持部と、 その支持部と一体形成され前 記空隙部に張出した少なくとも 1つの片持ち梁とから成る、 少なくとも 1つの機 能部を有するシリコンデバイスの製造方法において、 少なくとも、 片持ち梁の直 下に位置する空隙部の表面に導電性膜を形成するとともに、 その導電性膜を空隙 部の周囲の表面に延出させて枠体との導通部を形成する工程と、 シリコン基板の 表面に支持部の形状に応じて第 1のマスク層を形成する工程と、 第 1のマスク層 を形成したシリコン基板の表面をエッチングして支持部を形成する工程と、 支持 部を有するシリコン基板と導電性膜を有する絶縁性基板とを、 表面同士が対向す るように接合する工程と、 接合されたシリコン基板の裏面に片持ち梁の形状に応 じて第 2のマスク層を形成する工程と、 第 2のマスク層を形成したシリコン基板 の裏面をドライエッチングによりシリコン基板を貫通するようにエッチングし、 空隙部上に張出した所望パターンの片持ち梁を形成する工程とを含む製造方法を 用いて作製することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施の形態 1に係る加速度センサの全体構造を示す模式的な 分解斜視図である。
図 2は、 本発明の実施の形態 1に係る加速度センサの構造を示す図であり、 梁 状構造体を抽出した平面図である。
図 3 A〜図 3 Kは、 実施の形態 1に係る加速度センサの製造工程を示す模式断 面図であり、 図 3 Kは図 2の ΠΙ-ΠΙ' 線断面図である。
図 4は、 本発明の実施の形態 2に係る加速度センサの構造を示す模式的な分解 斜視図である。
図 5は、 本発明の実施の形態 3に係る加速度センサの構造を示す模式的な分解 斜視図である。 図 6 A〜図 6 Iは、 実施の形態 3に係る加速度センサの製造工程を示す模式断 面図であり、 図 6 Iは図 5の VI-VI' 線断面図である。
図 7は、 本発明の実施の形態 4に係る角速度センサの構造を示す分解斜視図で ある。
図 8は、 実施の形態 4に係る角速度センサの構造を示す図であり、 図 7の
VIII-VIII' 線断面図である。
図 9 Aと図 9 Bは、 本発明の作用原理を示す図 （その 1 ) である。
図 1 0 Aと図 1 0 Bは、 本発明の作用原理を示す図 （その 2 ) である。
図 1 1 Aと図 1 1 Bは、 本発明の作用原理を示す図 （その 3 ) である。
図 1 2は、 従来のシリコンデバイスの構造を示す図であり、 基本的な構造の梁 状構造体を抽出した平面図である。
図 1 3八〜図1 3 Fは、 図 1 2のシリコンデバイスの製造工程を示す模式断面 図であり、 図 1 3 Fは図 1 2の ΧΠΙ-ΧΙΠ' 線断面図である。 発明を実施するための最良の形態
実施の形態 1 .
本発明のシリコンデバイスの一例として、 加速度センサへの応用例について述 ベる。
図 1の分解斜視図に示すように、 加速度センサ 1は、 シリコンの梁状構造体 2 1 aと、 表面に空隙部を形成する凹部 3を有する下ガラス基板 2と、 表面に凹部 7を有する上ガラス基板 6とからなる。 そして、 加速度センサ 1は、 凹部 3と凹 部 7とが対向するように、 梁状構造体 2 1 aを下ガラス基板 2と上ガラス基板 6 とで挟むように接合した構造を有し、 加速度センサ 1は気密封止されている。 こ こで、 上ガラス基板 6は基板を貫通する外部回路接続用の電極取出し部 9 , 1 0 を有し、 その電極取出し部 9， 1 0は梁状構造体 2 1 aの金属電極 1 3 , 1 4とそ れぞれ接触し、 電気的に導通している。 梁状構造体 2 1 aは、 可動電極部 2 2 a と固定電極部 2 3 a , 2 3 aの 2つの機能部からなる。 導電性膜 4は下ガラス基 板 2の凹部 3の全面に形成されており、 その一部は凹部 3の周囲の表面に延出し、 枠体 2 4 aとの導通を確保する導通部 5 aを構成している。 導通部 5 aは、 枠体 2 4 aの直下となるように下ガラス基板 2に接合されている。
さらに、 図 2に示すように、 可動電極部 2 2 aは、 基部 2 7 aの長手方向両側 に等間隔で配設され、 基部 2 7 aから凹部 3上に張出した複数の片持ち梁 2 6 a からなる 2つの櫛状電極部 2 5 aと、 基部 2 7 aの両端部に連接され櫛状電極部 2 5 a , 2 5 aの上下方向の変位を規制する耐衝撃用ストツノヽ。一 2 8 a， 2 8 aと、 耐衝撃用ストッパー 2 8 a， 2 8 aと連接され櫛状電極部 2 5 aと耐衝撃用スト ッパー 2 8 a , 2 8 aとを宙支する 2本の梁部 2 9 a , 2 9 aと、 そして、 梁部 2 9 a , 2 9 aを支持し下ガラス基板 2に接合された支持部 3 0 a , 3 0 aとからな り、 これらが一体形成されている。 ここで、 耐衝撃用ストッパー 2 8 aは、 強い 衝撃に対する梁部 2 9 a , 2 9 aや櫛状電極部 2 5 a， 2 5 aの破損を防止する 効果も有する。
一方、 固定電極部 2 3 8 , 2 3 a ' は、 それぞれ、 凹部 3上に張出して櫛状電 極部 2 5 aの複数の片持ち梁 2 6 aと微小隙間を介して対向するように配設され た複数の片持ち梁 3 1 aからなる櫛状電極部 3 1を有している。 さらに、 固定電 極部 2 3 aは、 櫛状電極部 3 1を支持し基部を兼ねる支持部 3 2 aを介して下ガ ラス基板 2に接合され、 固定電極部 2 3 a ' は、 櫛状電極部 3 1を支持し基部を 兼ねる支持部 3 4 aを介して下ガラス基板 2に接合されている。
なお、 図 1に示すように、 上ガラス基板 6の凹部 7には金属膜 8が形成されて いる。 金属膜 8は、 シリコンの梁状構造体 2 1と上ガラス基板 6とを陽極接合す る際に、 既に形成されている可動電極部 2 2が上ガラス基板 6に付着する （ステ ィッキング） のを防止する。
ここで、 本センサが検知する加速度の方向は、 シリコン基板面内にある矢印 A の方向である。 複数の片持ち梁で構成された櫛状電極部 2 5 a , 2 5 aと櫛状電 極部 3 1， 3 1は、 限られたセンサ面積内で、 静電容量変化に比例する電極の対 向面積を極力大きくすることに寄与する。 加速度が加わると、 可動電極部 2 2 a の基部 2 7 aが矢印 Aの方向 （主軸方向） に変位し、 櫛状電極部 2 5 aの片持ち 梁 2 6 aと櫛状電極部 3 1の片持ち梁 3 1 aの間隔が変化する。 この間隔の変化 は静電容量の変化をもたらす。 この静電容量の変化はセンサ外部の C一 V変換器 を介して加速度に比例した電圧として出力される。 本実施の形態では、 櫛状電極 部の組合せ、 すなわち 2 5 aと 3 1を、 2組用いるようにして差動方式検出にし たので、 出力の線形^ tを高めることができる。
次に、 図 3 A〜図 1 3 Kを用いて、 本実施の形態に係る加速度センサの製造方 法の一例を説明する。 図 3 A〜図 3 Dに示す工程では、 シリコン基板の表面が加 ェされ梁状構造体の支持部が形成され、 図 3 E〜図 3 Hに示す工程では、 下ガラ ス基板に導電性膜が形成される。 そして、 図 3 I〜図 3 Kに示す工程でシリコン 基板と下ガラス基板とが接合され、 さらにシリコン基板が加工され梁状構造体の 櫛状電極部が形成される。 そして、 加工された上ガラス基板が梁状構造体の上に 接合され、 上ガラス基板には電極取出し部が形成され、 次いで、 ダイシングによ り個々の加速度センサに分離されて、 図 1に対応する構造を有する加速度センサ が作製される。 ここで、 シリコン基板の表面とは下ガラス基板と接合する側の面 をいう。
以下、 各工程について、 詳細に説明する。
図 3 Aに示す工程では、 表面に l // mの熱酸化膜 3 3を有するシリコンウェハ であるシリコン基板 2 0 (厚さ 4 0 0 m) を用意する。 図 3 Bに示す工程では、 シリコン基板 2 0の一方の面の熱酸化膜 3 3をバッファードフッ酸で除去する。 図 3 Cに示す工程では、 シリコン基板 2 0の熱酸化膜を除去した面に、 写真製版 により支持部の形状に応じたレジストからなる第 1のマスク層 3 5を形成する。 図 3 Dに示す工程では、 ICP- RIE法によるドライエッチングにより第 1のマスク 層 3 5を有するシリコン基板 2 0が深さ 2 5 0 μ πιまでエッチングされる。 その 後、 表面に残るレジストが除去されて、 枠体 2 4 a、 支持部 3 2 a、 そして耐衝 撃用ストッパー 2 8 aを形成する。
次いで、 図 3 Eに示す工程では、 下ガラス基板 2 (厚さ 4 0 0 // m) を用意す る。 図 3 Fに示す工程では、 下ガラス基板 2の表面を写真製版し、 凹部形成用の レジストからなるマスク層 1 2を形成する。 図 3 Gに示す工程では、 フッ酸 1
0 %水溶液により下ガラス基板 2の表面が 2 0 μ ηιエッチングして、 凹部 3を形 成する。 この凹部 3は、 シリコン基板 2 0と下ガラス基板 2とを接合させた時の 空隙部を構成する。 次いで、 図 3 Ηに示す工程で写真製版により C r膜を成膜し、 凹部 3の全面に、 及び凹部 3の周固の表面の一部に延出する、 C rからなる導電 性膜 4を形成する。 凹部 3の周囲の一部に延出した導電性膜 4はシリコン基板 2 0と電気的に導通する導通部 5 aを形成する。
次いで、 図 3 Iに示す工程では、 下ガラス基板 2の表面とシリコン基板 2 0の 表面とを陽極接合法を用いて接合する。 ここで、 支持部 3 4 aの導通部 5 aの直 上に位置する部分は、 図 3 Dに示す工程において予めエッチングされて除去され ており、 導通部 5 aは支持部 3 4 aと接触することなく枠体 2 4 aに接合される。 図 3 Jに示す工程では、 シリコン基板 2 0の裏面が写真製版され、 レジストから なる第 2のマスク層 3 5が形成される。 その後、 電子サイクロトロン共鳴反応性 イオンエッチイング法 （以下、 ECR- RIE法と略す。 ) により熱酸化膜マスク 3 3 ' が形成される。 そして、 図 3 Kに示す工程では、 第 2のマスク層 3 5と熱酸 化膜マスク 3 3 ' とをマスクにして、 ICP- RIE法によりシリコン基板 2 0の裏面 を少なくとも 1 5 0 / inの深さエッチングする。 これにより、 シリコン基板 2 0 を貫通させ、 可動電極部 2 2 a、 固定電極部 2 3 a、 そして枠体 2 4 aを形成す る。 可動電極部 2 2 aの片持ち梁 2 6 aと、 固定電極部 2 3 aの片持ち梁 3 1 a とは、 互いに微小隙間を介して対向するように、 かつ、 その微小隙間が交互に巾 広と巾狭を繰り返すように形成する。 その後、 シリコン基板 2 0の裏面に残る熱 酸化膜 3 3は ECR-RIE法により除去される。 なお、 エッチングの深さ 1 5 0 μ m は、 シリコン基板 2 0の厚さ 4 0 0 μ πιから、 図 3 Dに示す工程におけるエッチ ング深さ 2 5 0 μ τηを差し引いて求められる。
一方、 上ガラス基板 6の表面には、 図 3 Ε〜図 3 Ηに示すと同様の方法により、 深さ 2 0 /i mの凹部 7を形成する。 次いで、 凹部 7の表面に写真製版により C r 膜を成膜し、 C rからなるステイツキング防止膜 8を形成する。 そして、 上ガラ ス基板 6に、 サンドブラストにより貫通孔からなる電極引き出し部 1 0を設ける。 次いで、 シリコン基板 2 0の裏面と上ガラス基板 6の表面とを陽極接合により 接合し、 電極引き出し部 1 0に P tからなる電極膜を形成する。 そして、 ウェハ をダイシングして、 加速度センサ 1を分離する。
本実施の形態によれば、 枠体 2 4 aと導通した導電性膜 4は、 可動電極部 2 2 aや固定電極部 2 3 a等を ICP- RIE法を用いて形成する場合に、 凹部 3の表面が 正に帯電するのを防止する、 帯電防止膜として作用する。 すなわち、 正電荷を有 するエッチングガスは、 ドライエッチング時において、 導電性膜 4に衝突する。 その際、 エッチングガスの正電荷は、 導電性膜 4と枠体 2 4 aを介して漏洩し、 かつ、 枠体 2 4 aの負電位により電荷が中和される。 よって、 正電荷を有するェ ツチングガスが凹部 3の電気的斥力を受けて、 シリコン基板の表面をたたくこと がないので、 櫛状電極部 2 5 a , 3 1ゃ耐衝撃用ストッパー 2 8 a , 2 8 a、 そし て支持部 3 2 a， 3 4 aの側壁が浸食されることがない。
また、 枠体 2 4 aと、 櫛状電極部 2 5 a , 3 1や梁部 2 9 a等の高い精度が要 求される微細構造物との間には、 支持部 3 2 a , 3 4 aが配置されている。 よつ て、 仮に枠体 2 4 aに正電荷が帯電したとしても、 精度のあまり要求されない支 持部 3 2 a， 3 4 aが損傷を受けるだけで、 前記の微細構造物が損傷を受けるこ とはない。
また、 可動電極部 2 2 aや固定電極部 2 3 a等を ICP-RIE法を用いて形成する 際、 隣接するセンサの枠体は連続している。 そのため、 ウェハ内では、 梁状構造 体や枠体を含むシリコンの構造体の中で最大の体積を有している。 よって、 枠体 が正電荷に帯電したとしても、 体積電荷密度は、 ウェハ内で最小となる。 これに より、 枠体の近傍をエッチングガスが通過したとしても、 斥力の発生を最小限に 抑制することが可能となる。
したがって、 本実施の形態の加速度センサは、 櫛状電極部の複数の片持ち梁の 隙間が高精度に形成され、 かつ、 可動電極部や固定電極部の重量が所望の値に制 御可能であるので、 センサの感度低下やセンサ毎の特性のバラツキが少ない、 と いう特徴を有する。
本実施の形態に係る加速度センサに用いる導電性膜に使用可能な導電性材料に は、 クロム、 アルミニウム、 ニッケル、 タンタル、 白金、 ニッケル、 金等の蒸着 可能な金属を挙げることができるが、 ガラス基板に対する密着性に優れたクロム が好ましい。 また、 センサ内部の可視光による透過性を求めるなら、 導電性を有 しかつ透明であるインジウム ·スズ酸化物 （ I T O) も適用可能である。 また、 導電性膜の厚さは、 1 0 η π！〜 1 μ m、 好ましくは 2 0 0 n m〜 5 0 0 n mであ る。 1 0 n mより薄いと反応性エッチング時の耐久性が十分でなく、 Ι μ πιを超 えると膜の形成に長時間を要するからである。 また、 絶縁性基板には、 所望形状に加工可能であればいずれの絶縁体も用いる ことができるが、 ガラス基板が好ましい。
なお、 本実施の形態では、 下ガラス基板に凹部を設けて、 その凹部をシリコン 基板との間の空隙部とした場合を示した。 し力 し、 下ガラス基板に凹部を設けず、 下ガラス基板の平坦面に導電性膜を形成し、 シリコン基板の耐衝撃ストッパーの 先端部をエッチングにより除去して、 下ガラス基板との間の空隙部を形成した場 合においても、 本実施の形態と同様の効果を有する。
実施の形態 2 .
本実施の形態に係るシリコンデバイスは、 シリコンの梁状構造体を構成する、 可動電極部と固定電極部の体積を概ね同一にした以外は、 実施の形態 1と同様の 構成を有する。
図 4は、 本実施の形態に係る加速度センサの構造を示す分解斜視図である。 可 動電極部 2 2 cと固定電極部 2 3 cの体積を同一にするには、 可動電極部 2 2 c 及び固定電極部 2 3 cの各支持部の寸法及び形状を変更することにより行う。 支 持部の寸法と形状を変更しても、 センサの特性には影響しないからである。
「背景技術」 で説明したように、 加速度センサでは、 巾狭領域の隙間距離に対 する巾広領域の隙間距離の比が大きくなる程、 センサの感度は向上する。 しかし、 この比が大きくなると、 マイクロローデイング効果により、 エッチング速度の面 内分布がより不均一となる。 そのため、 巾狭の隙間の領域にはオーバーエツチン グが必要となるが、 オーバ一エッチングによりシリコン基板の裏面の損傷が大き くなる。 また、 本出願人は、 オーバーエッチングの時間が長くなると、 分離され たシリコンの梁状構造体自身も正電荷に帯電することを見出している。 そのため、 オーバーエッチングの時間が長くなると、 可動電極部と固定電極部の体積が異な る場合、 体積の小さい電極部の体積電荷密度が大きくなり、 その体積の小さい電 極部近傍を通過するエッチングガスに大きな斥力を与えることになる。 し力、しな がら、 本実施の形態では、 可動電極部と固定電極部の体積を同一にすることによ り、 電極部の体積電荷密度を小さくすることができるので、 電極部近傍を通過す るエッチングガスに与える斥力をより小さくすることが可能となる。
本実施の形態によれば、 実施の形態 1で述べた導電性膜の作用に加え、 上記の 電極部の体積電荷密度を小さくする作用を有するので、 オーバーエッチングが必 要な場合であっても、 シリコンの梁状構造体の浸食を抑制することができる。 実施の形態 3 .
本実施の形態に係るシリコンデバイスは、 シリコン基板の裏面のエッチングェ 程 （図 3 Dに示す工程に対応する。 ） を行わないで作製され、 実施の形態 1に比 ベ薄い、 例えば 1 5 0 μ ιηのシリコン基板を用い、 枠体ではなく支持部に導電性 膜を導通させた以外は、 実施の形態 1と同様の構成を有する。
図 5は、 本実施の形態に係る加速度センサの構造を示す分解斜視図である。 シ リコンの梁状構造体 2 1 bと枠体 2 4 bの厚さを実施の形態 1の場合に比べて薄 くし、 可動電極部 2 2 bの支持部の体積を固定電極部 2 3 bの体積よりも大きく した構造となっている。
図 6 A〜図 6 Iに図 5の加速度センサの製造工程を示す。 図 6 Aに示す工程で は、 表面に の熱酸化膜 3 3を有するシリコンウェハであるシリコン基板 2 〇 （厚さ 1 5 0 μ πι) を用意する。 図 6 Βに示す工程では、 シリコン基板 2 0の 一方の面の熱酸化膜 3 3をバッファードフッ酸で除去する。 シリコン基板 2 0の 熱酸化膜を除去した面のエッチングは行わないので、 実施の形態 1における図 3 C及び図 3 Dに示す工程は不要である。
次いで、 図 6 Cに示す工程では、 下ガラス基板 2 (厚さ 4 0 0 x m) を用意す る。 図 6 Dに示す工程では、 下ガラス基板 2の表面を写真製版し、 凹部形成用の レジストからなるマスク層 1 2を形成する。 図 6 Eに示す工程では、 フッ酸 1
0 %水溶液により下ガラス基板 2の表面を 2 0 / mエッチングして、 凹部 3を形 成する。 この凹部 3は、 シリコン基板 2 0と下ガラス基板 2とを接合させた時の 空隙部を構成する。 次いで、 図 6 Fに示す工程で写真製版により C r膜を成膜し、 凹部 3の全面に、 及び凹部 3の周囲の表面の一部に延出する、 C rからなる導電 性膜 4を形成する。 凹部 3の周囲の一部に延出した導電性膜 4はシリコン基板 2 0と電気的に導通する導通部 5 bを形成する。
次いで、 図 6 Gに示す工程では、 下ガラス基板 2の表面とシリコン基板 2 0の 表面とを陽極接合法を用いて接合する。 図 6 Hに示す工程では、 シリコン基板 2 0の裏面が写真製版され、 レジストからなる第 2のマスク層 3 5が形成される。 その後、 ECR-RIE法により熱酸化膜マスク 3 3 ' が形成される。 そして、 図 6 I に示す工程では、 第 2のマスク層 3 5と熱酸化膜マスク 3 3 ' とをマスクにして、 ICP- RIE法によりシリコン基板 2 0の裏面をエッチングする。 これにより、 シリ コン基板 2 0を貫通させ、 梁状構造体 2 1 bと枠体 2 4 bを形成する。 可動電極 部 2 2 bの片持ち梁 2 6 bと、 固定電極部 3 1の片持ち梁 3 1 bとを、 互いに微 小隙間を介して対向するように、 かつ、 その微小隙間が交互に巾広と巾狭を繰り 返すように形成する。 可動電極部 2 2 bの支持部 3 4 bには、 導通部 5 bが直接 接合されている。 その後、 シリコン基板 2 0の裏面に残る熱酸化膜 3 3を ECR - RIE法により除去する。
一方、 上ガラス基板 6の表面には、 実施の形態 1の図 3 Eから図 3 Hに示すェ 程と同様の方法により凹部を形成する。 次いで、 凹部の表面に写真製版により C r膜を成膜し、 C rからなるステイツキング防止膜を形成する。 そして、 上ガラ ス基板に、 サンドブラストにより貫通孔からなる電極引き出し部を設ける。
次いで、 シリコン基板の裏面と上ガラス基板の表面とを陽極接合により接合し、 電極引き出し部に P tからなる電極膜を形成する。 そして、 ウェハをダイシング して、 加速度センサを分離する。
本実施の形態に係る加速度センサは、 導電性膜 4が、 導通部 5 bを介して可動 電極部 2 2 bの支持部 3 4 bに接合され、 かつ、 可動電極部 2 2 bの体積が固定 電極部 2 3 bの体積よりも大きい構造を有している。 よって、 体積の小さい固定 電極部 2 3 bに導電性膜 4を接合した場合に比べ、 帯電する正電荷による体積電 荷密度を小さくすることが可能となる。 また、 シリコン基板の裏面のエッチング 工程が不要であるので、 量産性に優れた加速度センサを提供することが可能とな る。
なお、 本実施の形態では、 可動電極部の体積を固定電極部の体積よりも大きく したが、 これに限定されるものではない。 例えば、 固定電極部の体積を大きくし て固定電極部の支持部に導電性膜を接合しても良く、 また、 固定電極部や可動電 極部以外の機能部の体積を大きくしてその機能部の支持部に導電性膜を接合する こともできる。
実施の形態 4 . 本発明に係るシリコンデバイスの一例として、 角速度センサへの応用例につい て述べる。
図 7は、 角速度センサの構造を示す分解斜視図であり、 図 8は、 図 7の VIII- VIII' 線断面図である。
角速度センサ 7 0は、 シリコンの梁状構造体 7 1と、 梁状構造体 7 1を離間し て包囲する枠体 7 4と、 表面に凹部 7 3を有する下ガラス基板 7 2と、 表面に凹 部を有する上ガラス基板 （図示せず） とからなる。
さらに、 梁状構造体 7 1は、 下ガラス基板 7 2に接合した固定電極部 8 6とその 周囲に配置した可動電極部 8 5とからなる、 2組の測定部 9 0を有している。 そ の 2組の測定部 9 0を、 2つの可動電極部 8 5を連結する第 1の弾性連結部材 8
1を挟んで対称に配置している。
固定電極部 8 6は、 基部 8 7と、 その基部 8 7の長手方向の両側面に所定間隔 で配設した複数の片持ち梁 8 8とからなる両櫛の櫛状電極部を構成する。 可動電 極部 8 5は、 基部 7 6と複数の片持ち梁 7 7とからなる、 2組の片櫛の櫛状電極 部 7 5と、 その 2組の櫛状電極部 7 5を梁部 7 9を介して支持する振動フレーム 8 0と、 その振動フレーム 8 0を枠体 7 4に振動可能に連結する第 1の弾性連結 部材 8 1及び第 2の弾性連結部材 7 8とからなり、 これらはすべて一体形成され ている。 ここで、 2組の櫛状電極部 7 5は、 それぞれの片持ち梁 7 7が、 その片 持ち梁 7 7の先端が対向するように配置されている。 さらに、 各櫛状電極部 7 5 においては、 片持ち梁 7 7は、 固定電極部 8 6の片持ち梁 8 8と微小隙間を介し て対向可能なように、 基部 7 6の長手方向の片側に所定間隔で配設されている。 さらに、 下ガラス基板 7 2の凹部 7 3の表面に導電性膜 8 4を形成し、 凹部 7 3の周囲に延出した導通部 6 5を枠体 7 4に接合する。
ここで、 図 7に示した座標系を用いて本角速度センサの動作原理を説明する。 Z軸方向に磁界を印加した状態で、 第 1の弾性連結部材 8 1の表面に形成した加 振用金属配線 6 6に所望の電流を流す。 このとき X軸方向にローレンツ力が発生 し、 可動電極部 8 5が X軸方向に振動する。 この状態で Z軸の回りに角速度が加 わると、 その角速度の大きさに比例したコリオリカが Y軸方向に発生する。 この コリオリカを、 可動電極部 8 5と固定電極部 8 6の各片持ち梁の間の静電容量の 変化から検出する。 第 2の弾性連結部材 7 8の表面に形成した金属配線 6 7は、 可動電極部 8 5の振動状態を常時モニターしながら金属配線 6 6に流す電流を調 整するためのものである。 第 1の弾性連結部材 8 1に対して対称に 2組の可動電 極部 8 5 , 8 5が配置されており、 これらは互いに逆位相で振動する。 2組の可 動電極部 8 5， 8 5の静電容量変化を差動方式で検出して、 出力の線形性を向上 させる方法を用いている。 また、 枠体 7 4の表面に形成した金属電極 6 8は、 接 地用の電極であり、 浮遊容量を安定化するためのものである。
本実施の形態の角速度センサは、 絶縁性基板の凹部表面に、 枠体と電気的に導 通する導電性膜を有しており、 ドライエッチング時の絶縁体基板の帯電を防止す ることができる。 これにより、 櫛状電極部や支持部が浸食されることがないので、 形状及び寸法精度が高い梁状構造体を形成することができ、 感度低下やセンサ毎 の特性のバラッキの少ない信頼性の高い角速度センサを提供することができる。 以上述べたように、 本発明のシリコンデバイスは、 絶縁性基板と、 その絶縁性 基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコンの梁状構造体と、 その梁状構造 体を離間して包囲しその絶縁性基板に接合されたシリコンの枠体と、 から成り、 前記梁状構造体が、 前記絶縁性基板に接合された支持部と、 その支持部と一体形 成され空隙部に張出した少なくとも 1つの片持ち梁とから成る、 少なくとも 1つ の機能部を有するシリコンデバイスにおいて、 枠体と電気的に導通し、 少なくと も、 片持ち梁の直下の絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有しているので、 絶縁性基板の帯電を防止して、 ドライエッチング時の梁状構造体の損傷を大幅に 抑制することができる。 これにより、 より高い信頼性を有するとともに、 デバイ ス構造の設計自由度を有するシリコンデバイス、 例えば、 自動車の姿勢制御ゃェ アバッグシステムの衝突検知などに使用される加速度センサや角速度センサを提 供することが可能となる。
さらに、 シリコンの梁状構造体を構成する各機能部の体積を概ね同一とするこ とにより、 オーバーエッチングの時間が長くなつても、 機能部の体積電荷密度を 低下させることができる。 これにより、 ドライエッチング時の梁状構造体の損傷 をより一層抑制することができる。
また、 本発明のシリコンデバイスは、 シリコンの梁状構造体を構成する機能部 の中で最も体積の大きい機能部の支持部に、 片持ち梁の直下の絶縁性基板の表面 に形成された導電性膜を接合しているので、 その機能部が帯電した場合において も、 その正電荷の帯電による体積電荷密度を小さくすることができる。 これによ り、 より高い信頼性を有するとともに、 デバイス構造の設計自由度を有するシリ コンデバイスを提供することが可能となる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 絶縁性基板と、 該絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコン の梁状構造体と、 該梁状構造体を離間して包囲し前記絶縁性基板に接合されたシ リコンの枠体と、 から成り、 前記梁状構造体が、 前記絶縁性基板に接合された支 持部と、 該支持部と一体形成され前記空隙部に張出した少なくとも 1つの片持ち 梁とから成る、 少なくとも 1つの機能部を有するシリコンデバイスにおいて、 前記枠体と電気的に導通し、 少なくとも、 前記片持ち梁の直下の前記絶縁性基 板の表面に形成された導電性膜を有するシリコンデバイス。
2 . 前記梁状構造体が、 電気的に分離され概ね同一の体積を有する 2以上の前 記機能部から成る請求項 1記載のシリコンデバイス。
3 . 前記シリコンデバイスが加速度センサであって、 前記の機能部が、 可動電 極部と固定電極部である請求項 1記載のシリコンデバイス。
4 . 前記可動電極部と前記固定電極部の体積が概ね同一である請求項 3記載の シリコンデバイス。
5 . 前記シリコンデバイスが角速度センサであって、 前記の機能部が、 それぞ れ、 前記空隙部に張出した複数の片持ち梁の電極から成る櫛状電極部を有する、 可動電極部と固定電極部とを有し、 前記可動電極部は絶縁性基板の表面の水平方 向に振動可能に枠体に支持される一方、 前記固定電極部は絶縁性基板に接合され、 可動電極部及び固定電極部の前記片持ち梁が互いに微小隙間を介して対向するよ うに配設されて成る請求項 1記載のシリコンデバイス。
6 . 絶縁性基板と、 該絶縁性基板との間に空隙部を設けて接合されたシリコン の梁状構造体と、 該梁状構造体を離間して包囲し前記絶縁性基板に接合されたシ リコンの枠体と、 から成り、 前記梁状構造体が、 前記絶縁性基板に接合された支 部と、 該支持部と一体形成され前記空隙部に張出した少なくとも 1つの片持ち 梁とから成る、 少なくとも 1つの機能部を有するシリコンデバイスにおいて、 前記梁状構造体が電気的に分離され体積の異なる 2以上の前記機能部から成り、 最も体積の大きい機能部の支持部と電気的に導通し、 少なくとも、 片持ち梁の直 下の前記絶縁性基板の表面に形成された導電性膜を有するシリコンデバイス。
7 . 前記シリ コンデバイスが加速度センサであって、 前記の機能部が、 可動電 極部と固定電極部である請求項 6記載のシリコンデバイス。
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